DE2514930A1 - METHOD FOR OPTICAL DETERMINATION AND COMPARISON OF SHAPES AND LOCATIONS OF OBJECTS - Google Patents

METHOD FOR OPTICAL DETERMINATION AND COMPARISON OF SHAPES AND LOCATIONS OF OBJECTS

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DE2514930A1
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Hans Dr Ing Rottenkolber
Hans Dr Ing Steinbichler
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OPTO PRODUKTE AG
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    • GPHYSICS
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    • G01B11/2441Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

Description

HUBERT FREIHERR VON WELSE«HUBERT BARON OF WELSE « RECHTSANWALTLAWYER

ZUOELAaSEN AN DEN LANDQERIOHTEN MÜNCHEN I UNO It1 ZUOELAaSEN AT THE LANDQERIOHTEN MÜNCHEN I UNO It 1

AM OBERLANDESQERIOHT MÜNOHEN UND AM AM OBERLANDESQERIOHT MÜNOHEN AND AM

BAYERiSOHKN OBERSTEN LANDESQERiOHTBAYERiSOHKN OBERSTEN LANDESQERiOHT

MÜNOHEN 4O OANZIQER 8TRA88E IB TRMiPON oeo/a ei so so MÜNOHEN 4O OANZIQER 8TRA88E IB TRMiPON oeo / a ei so so

26. März 1975March 26, 1975

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Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Verfahren zur optischen Ermittlung und zum Vergleich von Formen und Lagen von Objekten Process for the optical determination and comparison of shapes and positions of objects

Anmelder;Applicant;

Firma OPTO Produkte AG Walchestraße 19 CH-8006 Zürich/SchweizCompany OPTO Produkte AG Walchestrasse 19 CH-8006 Zurich / Switzerland

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Ermittlung von Formabweichungen/ Formänderungen und Lageänderungen/ bei dem mittels Lichtstrahlen auf dem Objekt Muster erzeugt und diese durch eine photoelektronische Einrichtung abgebildet werden.The invention relates to a method for the optical determination of deviations in shape / changes in shape and changes in position / at which generates patterns on the object by means of light beams and these are imaged by a photoelectronic device will.

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BANKKONTO! OBUTiOHe BANK AO MÜNCHEN 88/808*9 (BLZ 7OO70010) ■ POSTSCHgCKKONTO: ΜΟΝΟΗβΝ Ιθβββ«-βΟ3 BANK ACCOUNT! OBUTiOHe BANK AO MÜNCHEN 88/808 * 9 (BLZ 7OO70010) ■ POSTAL CHECK ACCOUNT: ΜΟΝΟΗβΝ Ιθβββ «-βΟ3

dsütsohc bank ao munohcn sa/seeeo (blz 7oo7ooio)dsütsohc bank ao munohcn sa / seeeo (blz 7oo7ooio)

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Unter Ermittlung der Formabweichung ist ein Vergleich der Istform eines Objektes gegenüber seiner Sollform zu verstehen, die durch ein Meisterobjekt, ein Modell nach Maßstabstransformation oder durch ein nur rechnerisch oder zeichnerisch bestimmtes ideelles Objekt repräsentiert wird.Determining the form deviation is a comparison of the actual form of an object to understand its nominal shape, which is achieved by a master object, a model after scale transformation or is represented by an ideal object that is only determined by calculation or drawing.

Unter Ermittlung der Formänderung und der Lageänderung ist ein Vergleich der Form oder Lage ein und desselben Objektes in ihren zeitlichen Veränderungen zu verstehen.By determining the change in shape and the change in position, a comparison of the shape or position is a and to understand the same object in its temporal changes.

Neben der Formabweichung ist eine Lageabweichung eines Objektes gegenüber seinem durch Meisterobjekt, Modell, Rechenwert oder Zeichnung definierten Sollzustand möglich, oder auch eine bloße Lageabweichung ohne Formänderung, z.B. wenn eine zu vermessende Turbinenschaufel in ihrem Winkel zur Rotationsachse der Turbine verdreht ist. Die Lageabweichung ist aber von der hier behandelten Verfahrenstechnik her gesehen nur ein Unterfall der Formabweichung.In addition to the form deviation, there is a positional deviation of an object compared to its master object, model, Calculated value or drawing defined target state possible, or a mere positional deviation without change of shape, e.g. if a turbine blade to be measured is at its angle to the axis of rotation of the turbine is twisted. The positional deviation, however, is only one aspect of the process technology discussed here Sub-case of the form deviation.

Möglichst exakte Ermittlung und Vergleich der Form und Lage von Objekten hat in der Technik eine hohe Bedeutung erlangt und es seien im Folgenden wichtige Anwendungsbeispiele genannt:Determining and comparing the shape and position of objects as precisely as possible has a high level of accuracy in technology Has become important and important application examples are given below:

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Bei Herstellung komplizierter technischer Formen, wie Turbinenschaufeln oder Flügel von Schiffspropellern muß die Abweichung vom Sollzustand, sowohl was Form wie Lage betrifft in einer Formtreueprüfung ermittelt werden. Schwingungen von Bauteilen können besonders in der Nähe des Resonanzbereiches zu deren Bruch führen. Sie können durch Schallabstrahlung schwerwiegende Umweltstörungen hervorrufen oder die Funktionsunfähigkeit ganzer Anlagen, wie z.B. Druckmaschinen, zur Folge haben. Um solche Schwingungen zu beherrschen, ist Kenntnis ihrer Form und Amplitude notwendig. In einer Schwingungsanalyse können durch Vergleich beispielsweise zweier Positionen des schwingenden Bauteiles die notwendigen Informationen erhalten werden. Die Verformung von Bauteilen unter statischer Belastung kann zu deren Zerstörung führen. Es ist daher notwendig, bei der Konstruktion örtliche Spitzenbelastungen zu vermeiden. Die Möglichkeiten rechnerischer Lösungen sind oft begrenzt. Es ist jedoch möglich, im Versuch die Stellen maximaler Belastung durch Formvergleich des belasteten Zustands mit dem unbelasteten zu ermitteln. Durch Werkstofffehler, z.B. Gußfehler bei Metallen oder Schichtablösungen bei Autoreifen,können unregelmäßige Verformungen unter vorgegebener Belastung auftreten, die durch Formvergleich des Zustandes des Objektes vor und bei Änderung z.B. des Umgebungsdruckes oder des Wärmezustandes des Objektes oder seiner statischen Belastung in einer Werkstoffprüfung festgestellt werden können.When manufacturing complicated technical shapes, such as turbine blades or blades of ship propellers, the deviation from the target state, both both form and position can be determined in a form fidelity test. Vibrations of components can lead to their breakage, especially in the vicinity of the resonance range. You can by sound radiation cause serious environmental disturbances or the inoperability of entire systems, such as printing machines. To such To master vibrations, knowledge of their shape and amplitude is necessary. In a vibration analysis You can obtain the necessary information by comparing, for example, two positions of the vibrating component can be obtained. The deformation of components under static load can destroy them to lead. It is therefore necessary to avoid local peak loads during the construction. The possibilities computational solutions are often limited. It is possible, however, to attempt the places at maximum To determine the load by comparing the shape of the loaded state with the unloaded state. Due to material defects, E.g. casting defects in metals or delamination of car tires can cause irregular deformations occur under a given load, which is determined by the shape comparison of the state of the object before and at Change e.g. in the ambient pressure or the heat condition of the object or its static load can be determined in a material test.

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Das wohl gängigste bekannte Verfahren des Formtreue-Vergleichs ist das berührende Abtasten des Prüflings längs einer Koordinate, wobei Bezugspunkte festzustellen sind. Man erhält dadurch die Kontur in absoluten Werten durch Anzeige einer Uhr oder digital und der so gewonnene Istwert kann mit den Werten eines Meisterstückes oder mit rechnerischen Werten verglichen werden. Der Zeit- und Personalaufwand ist aber erheblich. Die Lasertechnik ermöglicht eine Reihe von berührungsfreien Verfahren des Formtreue-Vergleichs. Bei einem dieser Verfahren wird der Laserstrahl auf einen Punkt der Oberfläche fokussiert und die Laufzeit des reflektierten Strahles nach dem Radarprinzip elektronisch gemessen. Dieses Verfahren findet beispielsweise Anwendung zum Vermessen von Reifenform-Kokillen. Holographische Verfahren haben bisher wegen ihrer komplizierten Handhabung noch keinen Eingang in die Praxis gefunden. Sie können nur unter erheblichem rechnerischen Aufwand mit Hilfe von Verschiebevektoren zu digitalen Ergebnissen führen (vergleiche Steinbichler u.a.: "Quantitative Auswertung von Hologrammen" in Laser+Elektro-Optik Nr. 5/1973). In dem noch nicht zum veröffentlichten Stand der Technik gehörenden Gitterprojektionsverfahren werden diese Nachteile zwar weitgehend vermieden. Eine automatische Auswertung ist hier zwar möglich, erfordert aber einen hohen Aufwand (DP-Anmeldung 24 10 947.5). Schließlich sei noch auf ein Probably the most common known method of dimensional accuracy comparison is the touching scanning of the test piece along a coordinate, whereby reference points are to be determined. This gives the contour in absolute values by displaying a clock or digitally and the actual value obtained in this way can be compared with the values of a masterpiece or with arithmetic values. However, the time and personnel expenditure is considerable. Laser technology enables a number of non-contact methods of dimensional accuracy comparison. In one of these processes, the laser beam is focused on a point on the surface and the transit time of the reflected beam is measured electronically according to the radar principle. This method is used, for example, for measuring tire molds. Holographic processes have not yet found their way into practice because of their complicated handling. They can only lead to digital results with considerable computational effort with the help of displacement vectors (compare Steinbichler et al.: "Quantitative evaluation of holograms" in Laser + Elektro-Optik No. 5/1973). In the grating projection method, which is not yet part of the published prior art, these disadvantages are largely avoided. An automatic evaluation is possible here, but requires a lot of effort (DP registration 24 10 947.5). Finally be on a

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nicht-lasertechnisches Verfahren nach Takasaki hingewiesen, welches zwar vom Aufwand und der Handhabung her einfach ist, dessen Messgenauigkeit jedoch nicht befriedigen kann(Takasaki: Moire Topography "In Applied Optics" 1970 Seite 1467 bis 72).Non-laser-technical method according to Takasaki pointed out, which admittedly from the effort and the handling is simple, but its measurement accuracy cannot be satisfactory (Takasaki: Moire Topography "In Applied Optics" 1970 pages 1467 to 72).

Zur Schwingungsanalyse verwendet man zur Ausmessung von Schwingungen sogenannte Beschleunigungsaufnehmer, welche punktweise angebracht werden können. Schallabstrahlungen werden mit geeigneten Mikrofonen gemessen. Die Feststellung von Feldern setzt einen stationären Zustand voraus. Die holographische Timeaver age-Methode und die Doppelimpuls-Holographie für aperiodische Schwingungen brachten zwar erhebliche Fortschritte. Jedoch gelten auch hier die für holographische Methoden gemachten Einschränkungen.To analyze vibrations, so-called accelerometers are used to measure vibrations. which can be attached point by point. Sound emissions are measured with suitable microphones. The determination of fields presupposes a steady state. The holographic timeaver age method and double-pulse holography for aperiodic oscillations brought considerable results Progress. However, the restrictions made for holographic methods also apply here.

Für die statische Konstruktionsoptimierung stehen zahlreiche Messverfahren zur Verfügung. Diese reichen von der punktweisen Bestimmung der Verformung mit Hilfe von Tastern über den Messtreifen hin bis zur Spannungsoptik. Erhebliche Vorteile bietet/diesem Zusammenhang die holographische Interferometrie. Gegenüber der Spannungsoptik ergeben sich Messmöglichkeiten am wirklichen Objekt, gegenüber dem Dehnmessstreifen-Verfahren der Vorteil der bildmäßigen Erfassung. Von Nachteil ist jedoch, vom Aufwand abgesehen, die übergroße Empfindlichkeit der holographischen Anordnung. Problematisch ist auch die Auswertung holographischer Interferogramme, da der totale Verformungsvektor zur Interferenzanzeige beiträgt, im allgemeinen Numerous measurement methods are available for static construction optimization. These are enough from the point-by-point determination of the deformation with the help of probes to the measuring strips to the Tension optics. In this context, holographic interferometry offers considerable advantages. Compared to the tension optics, there are measurement options on the real object, compared to the strain gauge method the advantage of image capture. However, apart from the effort, the disadvantage is the excessive sensitivity of the holographic arrangement. The holographic evaluation is also problematic Interferograms, since the total deformation vector contributes to the interference indication, in general

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aber nur Vektorkomponenten interessieren. Vorallem bereitet jedoch die digitale Darstellung große Schwierigkeiten.but only vector components are of interest. Above all, however, the digital representation is great Trouble.

Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung standen zunächst Verfahren mit Anwendung von Ultraschall/ Röntgenstrahlen, Thermographie und Schallemission zur Verfügung, die durch holographische Methoden ergänzt wurden. Deren hohe Empfindlichkeit hat zwar den Vorteil, daß die zur Fehleranzeige notwendige Verformung weitab von jeder Zerstörung liegt. Sie hat aber auch den Nachteil, daß mit großem Aufwand der Einfluß von Randbedingungen, wie z.B. Bodenschwingungen, ausgeschaltet werden müssen.In the case of non-destructive material testing, there were initially procedures with the use of ultrasound / X-rays, thermography, and acoustic emission are available through holographic methods were added. Their high sensitivity has the advantage that the error display is necessary Deformation is far from destruction. But it also has the disadvantage that with great effort the influence of boundary conditions, such as floor vibrations, must be eliminated.

Die holographische Interferometrie ist derzeit das am weitesten fortgeschrittene Verfahren auf dem in Frage stehenden Gebiet. Dem Vorteil der mit ihr erzielbaren bildmäßigen Information und der sehr hohen Genauigkeit der Messung steht der Nachteil großen apparativen Aufwandes und der nicht einfachen Gerätehandhabung sowie der Notwendigkeit des Aussteuerns und Vermeidens von Raumeinflüssen gegenüber. Diese Nachteile erschweren oder verhindern aber den unmittelbaren Einsatz dieser Verfahren in der industriellen Produktion.Holographic interferometry is currently the most advanced technique on the in Area in question. The advantage of the pictorial information that can be achieved with it and the very high level of information Accuracy of the measurement has the disadvantage of large equipment expenditure and the not easy handling of the device as well as the need to adjust and avoid room influences. These Disadvantages complicate or prevent the direct use of these processes in industrial Production.

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Die sich für die Erfindung stellende Aufgabe war demnach die Entwicklung eines mittels einfacher unmittelbar in der industriellen Produktion einsetzbarer nicht störanfälliger Geräte arbeitenden Verfahrens, mit dem unter Erhaltung der mit holographischen Verfahren vergleichbaren Messgenauigkeit Formabweichungen, Formänderungen und Lageänderungen auf optischem Weg ermittelt und in digitale Werte umgesetzt werden können.The problem posed for the invention was therefore the development of a simple means devices that are not susceptible to failure and that can be used directly in industrial production Method with which while maintaining the measurement accuracy comparable to holographic methods Deviations in shape, changes in shape and changes in position are determined optically and in digital values can be implemented.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von einer kohärenten Lichtquelle ausgehende Lichstrahlen durch Linsen oder Spiegel oder holographisch als Linie oder Linien und/oder Punkteanordnungen auf ein Objekt aufprojiziert werden, und daß diese Linie, Linien oder Punkteanordnungen mittels eines Objektivs auf einer optoelektronischen Aufnahmevorrichtung abgebildet und dort in elektrische Impulse umgesetzt werden, und daß diese Impulse nach einer Analog-Digital-Umwandlung in einem elektronischen Rechenwerk gespeichert und Raumkoordinaten digital zugeordnet werden,According to the invention, this object is achieved in that proceeding from a coherent light source Light rays through lenses or mirrors or holographically as a line or lines and / or arrangements of points are projected onto an object, and that this line, lines or arrangements of points imaged by means of an objective on an optoelectronic recording device and there in electrical impulses are converted, and that these impulses after an analog-digital conversion stored in an electronic arithmetic unit and digitally assigned to spatial coordinates will,

und daß die sich so ergebenden Werte mit den in gleicher Weise erhaltenen Werten des gleichen Objektes vor dessen Form- oder Lageänderung oder mit denen eines anderen ideellen oder reellen, seine Sollform bestimmenden Objektes verglichen werden.and that the values thus obtained correspond to the values obtained in the same way for the same object before his change of shape or position or with those of another ideal or real, his Target shape determining object are compared.

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Als Quelle für die verwendeten Lichstrahlen wird zweckmäßigerweise ein Laser verwendet. Auf Grund seiner räumlich-kohärenten Eigenschaften kann der Laserstrahl zu sehr scharf begrenzten Punkten oder Linien fokussiert werden. Obwohl diese Fokussierung oder Abbildung streng nur für eine Ebene gilt, erreicht man wegen der kleinen Apertur des Strahles die relativ große Tiefenschärfe/ die zur Ausmessung gekrümmter Oberflächen notwendig ist. Die Punkte oder Linien können sowohl mit Linsen- oder Spiegeloptik als auch holographisch erzeugt werden. Einen Einzelpunkt oder eine Einzellinie wird man der Einfachheit halber mit einer Linsen- oder Spiegeloptik erzeugen. Werden mehrere Punkte oder Linien oder gekrümmte Linien für die Messung gleichzeitig benötigt/ so ist eine holographischen Projektion besonders geeignet. Das holographische Verfahren hat darüberhinaus den Vorteil/ daß durch einfaches Auswechseln des Hologramms eine rasche Anpassung an sich ändernde Verhältnisse am Objekt oder an den Objekten möglich ist. Durch Veränderung des Winkels des Referenzstrahles zur Bildebene des Hologramms läßt sich ebenfalls eine solche Anpassung erzielen. Da Hologramme mit sehr hohen Wirkungsgraden hergestellt werden können, ist der Lichverlust bei diesem Verfahren vernachlässigbar.A laser is expediently used as the source for the light rays used. Because of Due to its spatially coherent properties, the laser beam can reach very sharply defined points or Lines are focused. Although this focus or mapping applies strictly to only one level, achieved because of the small aperture of the beam, the relatively large depth of field / that for the measurement curved surfaces is necessary. The points or lines can be either lens or mirror optics as well as holographically. A single point or a single line becomes one of simplicity half with a lens or mirror optics. Will be multiple points or lines or curved Lines required for the measurement at the same time / so a holographic projection is particularly suitable. The holographic process also has the advantage that it is easy to replace the hologram enables rapid adaptation to changing conditions on the object or on the objects is. By changing the angle of the reference beam to the image plane of the hologram, a achieve such adjustment. Since holograms can be produced with very high efficiencies, the Loss of light with this method is negligible.

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Linien oder Punkte können durch Verdrehen der Projektionseinrichtung oder durch sonstige Maßnahmen, z.B. durch Strahlablenkung, ganze Bereiche am Objekt durchfahren. Durch diese zeitliche Auflösung, die jedoch stationäre Verhältnisse voraussetzt, können auch große Bereiche am Objekt ausgemessen werden. Eine Kontrolle der stationären Verhältnisse kann dadurch erfolgen, daß auf sich nicht verformende Oberflächenbereiche ein und desselben Objektes oder bei verschiedenen zu vergleichenden Objekten auf nicht einer Formabweichung unterliegende, einander entsprechende Oberflächenbereiche gleichzeitig mit den aufprojizierten Linien mindestens drei Bezugspunkte aufprojiziert werden, deren Lage im Rechenwerk gespeichert und von diesem mit ihrer veränderten Lage bei ein und demselben Objekt oder mit der Lage der entsprechenden Punkte auf dem Vergleichsobjekt nach Durchführung einer Koordinatentransformation verglichen werden, durch die die Lageänderung des Objektes und des Vergleichsobjektes im Verhältnis zum Objekt unterdrückt werden, um nur die reine Formänderung oder nur die reine Formabweichung zu ermitteln.Lines or points can be created by rotating the projection device or by other measures, e.g. by deflecting the beam, drive through entire areas of the object. Due to this temporal resolution, which, however, presupposes stationary conditions, large Areas on the object are measured. The stationary conditions can be checked by that on non-deforming surface areas of one and the same object or of different ones comparative objects on corresponding surface areas that are not subject to a form deviation simultaneously with the projected lines at least three reference points are projected, their position is stored in the arithmetic unit and from this with their changed position in one and the same object or with the position of the corresponding points are compared to the comparison object after performing a coordinate transformation through which the Changes in the position of the object and the object to be compared in relation to the object are suppressed to only to determine the pure change in shape or just the pure form deviation.

Die Abbildung der auf das Objekt aufprojizierten Linien und Punkteanordnungen auf der Aufnahmefläche der optoelektronischen Anordnung können mit der Abbildung der Linien oder Punkteanordnungen nach Formabweichung, Formänderung oder Lageänderung des oder der ObjekteThe mapping of the lines and point arrangements projected onto the object on the receiving surface of the optoelectronic arrangement can be done with the mapping of the Lines or arrangements of points according to shape deviation, change in shape or change in position of the object or objects

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im Rechenwerk durch eine Koordinatentransformation in größter Annäherung zur Deckung gebracht werden. Dadurch können ebenfalls Lageänderungen zu Gunsten der Untersuchung der Formänderung unterdrückt oder aber umgekehrt unter Vernachlässigung der Formänderung die Lageänderung oder -Abweichung ermittelt werden. Andererseits können die aufprojizierten Bezugspunkte zum Justieren des Objektes verwendet werden, indem die aufprojizierten Punkte mit Marken des Objektes oder bestimmten Formmerkmalen dieses Objektes, z.B. Ecken, in Deckung gebracht werden.in the arithmetic unit are brought to coincide as closely as possible by means of a coordinate transformation. As a result, changes in position can also be suppressed or in favor of examining the change in shape but conversely, neglecting the change in shape, the change in position or deviation can be determined. On the other hand, the projected reference points can be used to adjust the object, by the projected points with marks of the object or certain shape features of this object, e.g. corners, to be brought into cover.

Das die Sollform bestimmende Vergleichsobjekt bei Ermittlung von Formabweichungen braucht keineswegs ein maßstäblich gleiches reelles Objekt zu sein. Die Sollform kann als digitale Werte in das Rechenwerk eingegeben werden. Auch können die Linie, die Linien oder die Punkteanordnungen auf ein die vergrößerte oder verkleinerte Sollform des Objektes darstellendes Modell aufprojiziert und die sich in der optoelektronischen Anordnung ergebenden Werte der Abbildung der Linien oder Punkteanordnungen im Rechenwerk in einer Maßstabstransformation in die Werte der Sollform des Objektes umgerechnet werden.The comparison object that determines the target shape when determining shape deviations is by no means necessary to be a real object of the same scale. The target form can be entered as digital values in the arithmetic unit can be entered. The line, the lines or the arrangements of points can also be enlarged or reduced nominal shape of the object representing the model and which is in the optoelectronic arrangement resulting values of the mapping of the lines or point arrangements in the Arithmetic unit can be converted into the values of the target shape of the object in a scale transformation.

Das beschriebene Verfahren kann für die Messung der absoluten Form eines Objektes, zur Formtreueprüfung und zur Form- und Lageänderung sowohl statischer wie dynamischer Art, z.B. als Schwingungsmessung, verwendet werden. Ein Unterfall der Lageänderung ist The method described can be used for measuring the absolute shape of an object, for checking the accuracy of shape and for changing shape and position, both static and dynamic, for example as a vibration measurement. A sub-case of the change of position is

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die Messung der Füllstandshöhe von Flüssigkeiten, bei der die Lage oder Verlagerung der Oberfläche der Flüssigkeit ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner zur Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes verwendet werden, wobei dessen Lageänderung innerhalb einer bestimmten Zeit oder die Zeitdauer einer bestimmten Lageänderung ermittelt werden kann.the measurement of the level of liquids, at which the position or displacement of the surface the liquid is determined. The inventive method can also be used to measure the Speed of a moving object can be used, its change in position within a specific time or the duration of a specific change in position can be determined.

Sollen größere Flächen vermessen werden, so können statt einer einzelnen Linie mehrere z.B. parallele Linien gleichzeitig aufprojiziert oder mit einer Linie durch Schwenken der Projektionseinrichtung die ganze Fläche abgegriffen werden. Auch lassen sich bei größeren Objekten mehr als eine Projektionsanordnung mit jeweils ihnen zugeordneten Aufnahmeanordnungen verwenden, denen wiederum ein Rechenwerk zugeordnet ist, wobei Projektions- und Aufnahmeanordnung untereinander eine feste räumliche Zuordnung aufweisen müssen, die in das Rechenwerk als Zubezugswerte eingegeben werden muß.If larger areas are to be measured, several e.g. parallel lines can be used instead of a single line Lines projected simultaneously or with one Line the entire area can be tapped by pivoting the projection device. Let too In the case of larger objects, there is more than one projection arrangement with recording arrangements assigned to them in each case use, which in turn is assigned an arithmetic unit, whereby the projection and recording arrangement have a fixed spatial arrangement with one another Must have assignment that must be entered into the arithmetic unit as reference values.

Die fotoelektronische Aufnahmevorrichtung kann eine Fernsehkamera sein oder aber eine einzelne, eine Ja-Nein-Aussage liefernde Fotodiode, wenn nur die Lage eines bestimmten aufprojizierten PunktesThe photo-electronic recording device can be a television camera or a single one Yes-no-statement delivering photodiode, if only the Location of a specific projected point

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ermittelt werden soll, wie dies bei Schwingungsanalysen der Fall sein kann. Mit der einzelnen Fotodiode kann das Bild auch schritt- und zeilenweise abgefahren werden. Zur Abbildung ausgedehnter Linien- oder Punktemuster kann ein Fotodiodenarray oder eine Fotodiodenmatrix oder ein Schottky-Dedektor Verwendung finden. Um bei einer Fernsehkamera digitale Werte zu erhalten, können dem abtastenden Elektronenstrahl im Rechenwerk gezählte Takte über einen Taktgeber überlagert werden.should be determined, as this can be the case with vibration analyzes. With the individual Photodiode, the image can also be scanned step by step and line by line. For illustration more expansive Line or point patterns can be a photodiode array or a photodiode matrix or a Schottky detector Find use. In order to obtain digital values from a television camera, scanning can be used Electron beam counted clocks in the arithmetic unit are superimposed over a clock generator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigenEmbodiments of the invention are described in more detail below and in the drawings shown. Show it

Fig. 1Fig. 1

bis 3 verschiedene Darstellungen des Strahlenganges in einer erfindungsgemäßen Projektionsanordnung mit Linsen und Spiegeln.to 3 different representations of the beam path in a projection arrangement according to the invention with lenses and mirrors.

Fig. 4Fig. 4

und 5 verschiedene Darstellungen des Strahlenganges in einer erfindungsgemäßen holographischen Projektionsanordnung.and 5 different representations of the beam path in a holographic one according to the invention Projection arrangement.

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Geräte· anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.6 shows a schematic representation of a device arrangement for carrying out the invention Procedure.

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Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird durch die Projektionsanordnung 1 eine Linie auf das Objekt 2 aufprojiziert, das eine Turbinenschaufel ist, die auf Formtreue untersucht wird. Die Projektionsanordnung ist in einem kastenförmigen Behältnis untergebracht, in dem ein Laser als Lichtquelle vorgesehen ist. Die von ihm ausgehenden Strahlen 3 (Fig. 1 bis 3) werden, wenn eine punktförmige Projektion gewünscht wird, gemäß Darstellung in Fig. 1 durch die Linse 4 auf eine Lochblende 5 mit sehr enger öffnung fokussiert. Mit dem Objektiv 6 wird dieser Fokus auf dem Objekt in 7 als Punkt abgebildet. Wird eine Projektion in Form einer Linie gewünscht, so wird nach dem Objektiv 6 eine Zylinderlinse 8 eingeschaltet, durch die der aufprojizierte Punkt zu einer Linie auseinandergezogen wird, die auf das Objekt in 9 aufprojiziert wird. An Stelle der Zylinderlinse 8 kann, wie Fig. 3 dies zeigt, ein Zylinderspiegel 10 im Strahlengang nach Durchgang der Strahlen durch den Teilerwürfel 11 angeordnet sein. Die von ihm reflektierten eine Linie projezierenden Strahlen werden von dem Teilerwürfel 11 seitlich abgelenkt.As shown in FIG. 6, a line is drawn onto the object 2 by the projection arrangement 1 projected, which is a turbine blade that is examined for shape fidelity. The projection arrangement is housed in a box-shaped container in which a laser is provided as a light source is. The rays emanating from it 3 (Fig. 1 to 3) are, if a point-shaped Projection is desired, as shown in Fig. 1 through the lens 4 onto a pinhole 5 with very narrow opening focused. With the objective 6, this focus is imaged on the object in FIG. 7 as a point. If a projection in the form of a line is desired, a cylindrical lens is used after the objective 6 8 switched on, through which the projected Point is pulled apart to a line which is projected onto the object in FIG. Instead of As FIG. 3 shows, cylinder lens 8 can be a cylinder mirror 10 in the beam path after the beams have passed through be arranged by the divider cube 11. The rays projecting a line reflected from it are deflected laterally by the dividing cube 11.

Sollen kompliziertere Muster aufprojiziert werden, wie dies meistens notwendig sein wird, z.B. eine Linie und drei Punkte, so ist die holographische Projektion vorzuziehen, wie sie in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. In dem Hologramm 12 sind Punkte bzw. Linien gespeichert.Should more complicated patterns be projected, as is usually necessary, e.g. a line and three points, the holographic projection as shown in Figs. 4 and 5 is preferable. In points or lines are stored in the hologram 12.

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Durch Beleuchtung des Hologramms 12 mit einem Referenzstrahl 13 entstehen die Punkte oder Linien durch Beugung. Es kann sodann deren reelles Bild, wie dies Fig. 4 zeigt, oder unter Zwischenschalten des Objektivs 14 deren virtuelles Bild auf das Objekt aufprojiziert werden, wie dies Fig. 5 darstellt.The points or lines are created by illuminating the hologram 12 with a reference beam 13 by diffraction. It can then be their real image, as shown in FIG. 4, or with the interposition of the objective 14, the virtual image of which is projected onto the object, as shown in FIG. 5.

Durch die kleine Apertur bei den Anordnungen nach Fig. 1 bis 3 sowie im holographischen Verfahren entsteht eine ausreichende Tiefenschärfe, um über die gesamte Krümmung der Oberfläche des Objektes 2 eine sehr scharfe genaueste Messungen gestattende Abbildung der Punkte und Linien zu erhalten.The small aperture in the arrangements according to FIGS. 1 to 3 and in the holographic process a sufficient depth of field to over the entire curvature of the surface of the object 2 a very to obtain sharp, most accurate measurements permitting mapping of the points and lines.

Die Aufnahmeanordnung 15, die ihrerseits in einem kastenförmigen Behältnis untergebracht ist, weist ein Objektiv 16 auf, daß das auf dem Objekt aufprojizierte Linien- und Punktemuster auf einer fotoelektronischen Aufnahmefläche abbildet, die die einer Fernsehkamera oder eine Fotodxodenmatrix sein kann. Im ersteren Falle läuft mit jeder Zeile des Fernsehbildes ein Taktgenerator, der tausend Takte je Zeile liefert. Gleichzeitig registriert im Rechenwerk 18 ein Zähler die Takte. Das Ortsignal χ erfolgt dann nach einer bestimmten Anzahl von Takten am Schnittpunkt der Zeile mit dem Bild des aufprojizierten Punktes oder der aufprojizierten Linie. Die bis dahinThe receiving arrangement 15, which in turn is housed in a box-shaped container, has an objective 16 that is projected onto the object Patterns of lines and points on a photoelectronic recording surface depicting the one TV camera or a photodxode matrix can be. In the former case runs with every line of the television picture a clock generator that delivers a thousand clocks per line. At the same time registered in the arithmetic unit 18 a counter the clocks. The location signal χ then takes place after a certain number of clocks at the intersection the line with the image of the projected Point or the projected line. Until then

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gezählte Taktzahl ist der gesuchte digitale Wert.counted number of cycles is the searched digital value.

Bei einem Fotodiodenarray wird jede Zeile mit einem Schrittschaltmotor abgefahren. Das Ortsignal χ fällt dann durch die angesprochene Fotodiode an und liegt damit bereits als digitaler Wert ebenso wie der digitale Wert der jeweiligen Zeile vor.In the case of a photodiode array, each line is traversed with a stepper motor. The location signal χ then arises from the mentioned photodiode and is therefore already present as a digital value as well like the digital value of the respective line.

Die erhaltenen digitalen Werte werden dem Rechenwerk 18 zugeleitet, wobei die gemessenen Werte χ als Funktion von y und ζ in den Speicher 19 eingegeben werden. Bei Verwendung von nur einer Fotodiode, z.B. bei Füllstandsmessung, fällt nur ein Wert von χ an, der dann in einer digitalen Anzeige erscheinen kann. Bei Formabweichung, Verformung oder Lageänderung werden zunächst die Werte des Meisterobjektes oder des ursprünglichen Zustandes des Objektes gespeichert, wobei diese Werte auch unmittelbar, beispielsweise als rechnerisch ermittelte Werte über den Speicher 19 eingegeben werden können. Am Testobjekt bzw. nach der Verformung oder Lageänderung am Prüfobjekt werden in gleicher Weise die Werte für x, y und ζ ermittelt und in den Speicher 19 überführt. Die gespeicherten Werte fließen sodann dem Rechner 20 zu, der den Vergleich zwischen Ist- und Sollzustand bzw. zwischen dem ursprünglichen und dem Testzustand durch Differenzbildung durchführt. DieseThe digital values obtained are fed to the arithmetic unit 18, the measured values χ as Function of y and ζ can be entered into memory 19. When using only one photodiode, e.g. with level measurement, only a value of χ is obtained, which can then appear in a digital display. In the event of a form deviation, deformation or change in position first the values of the master object or the original condition of the object stored, these values also being stored directly, for example as computationally determined values can be entered via the memory 19. On the test object or after deformation or change of position on The test object, the values for x, y and ζ are determined in the same way and transferred to the memory 19. The stored values then flow to the computer 20, which makes the comparison between the actual and desired state or between the original and the test state by forming the difference. These

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25H93Ü25H93Ü

stellt das Maß der Formabweichung bzw. des Lageunterschiedes dar, das in Längeneinheiten, z.B. in Millimeter umgerechnet wird. Durch eine Koordinatentransformation kann der Einfluß der Relativbewegung zwischen Objekt und Messanlage berücksichtigt werden.represents the measure of the form deviation or the position difference, which is expressed in units of length, e.g. is converted into millimeters. The influence of the relative movement can be influenced by a coordinate transformation must be taken into account between the object and the measuring system.

Die Datenausgabe 21 kann schließlich ein Kurvenschreiber (x, y-Schreiber), ein Drucker oder eine Digitalanzeige mit Leuchtdiodenziffern sein. Zur Kontrolle kann mit der Aufnahmeanordnung ein Monitor verbunden sein.The data output 21 can finally be a curve recorder (x, y recorder), a printer or a Be digital display with light-emitting diode digits. For control purposes, a monitor can be used with the mounting arrangement be connected.

um Relativbewegungen zwischen dem Objekt 2 einerseits und der Projektionsanordnung 1 und der Aufnahmeanordnung 15 andererseits auszuschalten, könnenabout relative movements between the object 2 on the one hand and turn off the projection arrangement 1 and the receiving arrangement 15 on the other hand

oderor

Projektionsanordnung und/die Aufnahmeanordnung fest auf dem Objekt angeordnet sein.Projection arrangement and / the recording arrangement be firmly arranged on the object.

PatentansprücheClaims

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Claims (16)

PatentansprücheClaims Verfahren zur optischen Ermittlung von Formabweichungen, Formänderungen und Lageänderungen, bei dem mittels Lichtstrahlen auf dem Objekt Muster erzeugt und diese durch eine optoelektronische Vorrichtung abgebildet werden,Process for the optical determination of form deviations, Changes in shape and position, in which patterns of light are generated on the object and these be mapped by an optoelectronic device, dadurch gekennzeichnet, daß von einer kohärenten Lichtquelle ausgehende Lichstrahlen (3) durch Linsen (4,6,8) oder Spiegel (10,11) oder holographisch als Linie oder Linien und/oder Punkteanordnungen auf ein Objekt aufprojiziert werden, characterized in that light rays (3) emanating from a coherent light source are projected onto an object through lenses (4,6,8) or mirrors (10,11) or holographically as line or lines and / or point arrangements, und daß diese Linie, Linien oder Punkteanordnungen mittels eines Objektivs (16) auf einer optoelektronischen Aufnahmevorrichtung abgebildet und dort in elektrische Impulse umgesetzt werden, und daß diese Impulse nach einer Analog-Digitalumwandlung in einem elektronischen Rechenwerk (18) gespeichert und Raumkoordinaten digital zugeordnet werden, und daß die sich so ergebenden Werte mit den in gleicher Weise erhaltenen Werten des gleichen Objektes vor dessen Form- oder Lageänderung oder mit denen eines anderen ideellen oder reellen seine Sollform bestimmenden Objektes vergleichen werden.and that this line, lines or arrangements of points by means of an objective (16) on an optoelectronic Recording device mapped and converted into electrical impulses there, and that these pulses are stored in an electronic arithmetic unit (18) after an analog-digital conversion and spatial coordinates are assigned digitally, and that the resulting values are identical to those in Wise obtained values of the same object before its shape or position change or with those of one other ideal or real objects that determine its desired shape will be compared. 2. Verfahren nach Anspruch 1,2. The method according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (3) durch Beugung in einem Hologramm (12) als Linie oder Linien characterized in that the light rays (3) by diffraction in a hologram (12) as a line or lines 609842/0486609842/0486 25Η93025Η930 oder Punkteanordnungen unter Anpassung an die Form des Objektes (2) auf dieses als virtuelles oder reelles Bild aufprojiziert werden.or point arrangements with adaptation to the shape of the object (2) on this as a virtual or real image can be projected. 3. Verfahren nach Anspruch 1,3. The method according to claim 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Anpassung an die Form des Objektes (3) durch Veränderung des Winkels des Referenzstrahles (13) zur Bildebene des Hologramms (12) erfolgt. characterized / that the adaptation to the shape of the object (3) is carried out by changing the angle of the reference beam (13) to the image plane of the hologram (12). 4. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4. The method according to claim 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf sich nicht verformende Oberflächenbereiche ein und desselben Objektes (2) oder auf Oberflächenbereiche mit bekannter Verformung characterized in that on non-deforming surface areas of one and the same object (2) or on surface areas with known deformation de oder bei verschiedenen zu vergleichen/Objekten (2) auf nicht einer Formabweichung unterliegende einander entsprechende Oberflächenbereiche oder auf Oberflächenbereiche mit bekannter Formabweichung gleichzeitig mit den aufprojizierten Linien mindestens drei Bezugspunkte aufprojiziert werden, deren Lage im Rechenwerk (18) gespeichert und von diesem mit ihrer veränderten Lage bei ein und demselben Objekt oder mit der Lage der entsprechenden Punkte auf dem Vergleichsobjekt nach Durchführung einer Koordinantentransformation vergliehen werden, durch die Lageveränderungen des Objektes oder des Vergleichsobjektes im Verhältnis zum Objekt unterdrückt werden, um nur die reine Formänderung oder nur die reine Formabweichung zu ermitteln.de or for different objects to be compared / objects (2) not subject to a form deviation corresponding surface areas or on surface areas with known shape deviation at the same time at least three reference points with the projected lines are projected, their position in the arithmetic unit (18) and stored by this with their changed position with one and the same object or with the position of the corresponding points on the object to be compared after carrying out a coordinate transformation be compared, by the changes in position of the object or the comparison object in relation to the object are suppressed in order to allow only the pure change in shape or only the pure form deviation determine. 609842/CU86609842 / CU86 4$ 25U930 4 $ 25U930 5. Verfahren nach Anspruch 1,2,3/4,5. The method according to claim 1, 2, 3/4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der auf das Objekt aufprojizierten Linien und Punkteanordnungen auf der Aufnahmefläche der optoelektrischen Anordnung mit der Abbildung der Linien und/oder Punkteanordnungen nach Formabweichung, Formänderung oder Lageänderung des oder der Objekte im Rechenwerk (18) durch eine Koordinatentransformation in größter Annäherung zur Deckung gebracht wird. characterized in that the mapping of the projected onto the object lines and point arrangements on the receiving surface of the optoelectronic arrangement with the mapping of the lines and / or point arrangements after shape deviation, change in shape or change in position of the object or objects in the arithmetic unit (18) by a coordinate transformation in the greatest approximation is brought to congruence. 6. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (2) mittels der auf dieses aufprojizierten Punkteanordnung justiert wird. characterized in that the object (2) is adjusted by means of the point arrangement projected onto it. 7. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollform des ideellen Objektes als digitale Werte in das Rechenwerk (18) eingegeben wird. characterized in that the nominal shape of the ideal object is entered as digital values in the arithmetic unit (18). 8. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,8. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linie, die Linien oder die Punkteanordnungen auf ein die vergrößerte oder verkleinerte Sollform des Objektes (2) darstellendes Modell aufprojiziert und die sich in der optoelektronischen Anordnung ergebenden Werte der Abbildung der Linien oder Punkteanordnungen im Rechenwerk (18) in einer Maßstabstransformation in die Werte der Sollform des Objektes (2) umgerechnet werden. characterized in that the line, the lines or the point arrangements are projected onto a model representing the enlarged or reduced nominal shape of the object (2) and the values of the mapping of the lines or point arrangements in the arithmetic unit (18) resulting in the optoelectronic arrangement in a scale transformation can be converted into the values of the nominal shape of the object (2). 609842/0486609842/0486 10 25Η930 10 25Η930 9. Verfahren nach Anspruch 1,2,3/4,5,6,7,8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung der absoluten Form eines Objektes verwendet wird.9. The method according to claim 1,2,3 / 4,5,6,7,8, characterized in that it is used to measure the absolute shape of an object. 10. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8,10. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung der Formtreue eines Objektes verwendet wird. characterized in that it is used to measure the dimensional accuracy of an object. 11. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8, dadurch gekennzeichnet, daß es für statische und dynamische Verformungsmessungen verwendet wird.11. The method according to claim 1,2,3,4,5,6,7,8, characterized in that it is used for static and dynamic deformation measurements. 12. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8,12. The method according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung der Füllstandshöhe von Flüssigkeiten verwendet wird. characterized in that it is used to measure the level of liquids. 13. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes verwendet wird.13. The method according to claim 1,2,3,4,5,6,7,8, characterized in that it is used to measure the speed of a moving object. 14. Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Projektionsanordnung (1) vorgesehen ist, die als Lichtquelle einen Laser aufweist, in dessen Strahlengang (3) Linsen (4,6,8), Spiegel (10,11) und/oder ein Hologramm (12) vorgesehen sind, die die von dem Laser ausgehenden Strahlen als Linie oder Linien oder eine Punkteanordnung auf ein Objekt (2) aufprojizieren, 14. Measuring arrangement for carrying out the method according to claim 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, characterized in that a projection arrangement (1) is provided which serves as the light source has a laser, in whose beam path (3) lenses (4, 6, 8), mirrors (10, 11) and / or a hologram (12) are provided, which the rays emanating from the laser as a line or lines or an arrangement of points project onto an object (2), 609842/0486609842/0486 ferner, daß eine optische Aufnahmeanordnung (15) vorgesehen ist, in der die Linie, Linien oder die Punkteanordnung auf einer photoelektronischen Fläche abgebildet werden und in der diese Abbildung in elektrische Impulse umgesetzt werden kann, und daß schließlich ein elektronisches Rechenwerk (18) vorgesehen ist, das diese Impulse nach einer Analog-Digitalumwandlung speichern und mit den in gleicher Weise gewonnenen digitalen Werten der Form des in seiner Lage oder Form veränderten Objektes oder mit der Form eines anderen Objektes vergleichen kann.also that an optical recording arrangement (15) is provided in which the line, lines or the arrangement of points on a photoelectronic surface are mapped and in which this mapping can be converted into electrical impulses, and that Finally, an electronic arithmetic and logic unit (18) is provided which converts these pulses into an analog-to-digital process store and use the digital values obtained in the same way in the form of the in can compare its position or shape changed object or with the shape of another object. 15. Meßanordnung nach Anspruch 14,15. Measuring arrangement according to claim 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Projektionsanordnung (1) mit jeweils dieser Projektionsanordnung zugeordneten Aufnahmeanordnungen (15) vorgesehen ist, sowie eine dieser Aufnahmevorrichtung zugeordnetes Rechenwerk (18) zur Aufnahme der in der Aufnahmevorrichtung umgesetzten elektrischen Impulse, wobei diese Projektions- und Aufnahmeanordnungen (1,15) untereinander eine feste räumliche Zuordnung aufweisen, die als Bezugswert in das Rechengerät eingegeben ist. characterized in that more than one projection arrangement (1) with recording arrangements (15) assigned to this projection arrangement is provided, as well as an arithmetic unit (18) assigned to this recording device for recording the electrical impulses converted in the recording device, these projection and recording arrangements (1 , 15) have a fixed spatial allocation to one another, which is entered as a reference value in the computing device. 16. Messvorrichtung nach Anspruch 9,16. Measuring device according to claim 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf dem Objekt (2) selbst befestigt ist. characterized in that it is attached to the object (2) itself. 609842/0486609842/0486 LeerseiteBlank page
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